- En
revanche sur la deuxième figure, l’aile agit sur
l’air : le
flux apparaît montant avant le passage de l’aile, puis
descendant par la suite.
Dès lors, la déviation de l’aile est l’action
et c’est ce mécanisme qui peut
réellement générer une portance.
L’aile agit
donc comme une
pompe. En effet, lorsqu’elle se déplace dans l’air
(ce qui équivaut à envoyer
un flux d’air dessus), l’écoulement de ce dernier
n’est pas symétrique mais il
est entraînée perpendiculairement au déplacement du
planeur. Prenons par
exemple les pales d’un ventilateur en marche, qui ne sont rien
d’autres que des
ailes en rotation : le courant d’air ainsi
créé est bien envoyé
perpendiculairement au plan dans lequel elles évoluent et non en
suivant un
certain angle. C’est exactement le même
phénomène avec les ailes d’un planeur.
Si un observateur au sol pourrait voir le mouvement de l’air sous
l’aile, voila
ce qu’il observerait :
En fait, quand
l’air contourne
le sommet de l’aile, il tire sur l’air se situant au dessus
de lui et l’accélère
vers le bas.
Finalement,
on en arrive au fait que le
planeur est aspirer vers le haut à cause d’une
dépression, alors qu’un
surpression règne en bas, ce qui est en accord avec la
conclusion du principe
de Bernouilli.
Mais on est en
droit de
s’interroger sur le pourquoi du phénomène physique.
Comment cet air est elle
dévier en si grande quantité ? En fait, la viscosité
de l’air est à
l’origine de ce qu’on appelle l’effet Coanda. Concrètement
« quand
un fluide en mouvement entre en contact avec une surface courbe, il
aura
tendance à suivre cette surface ». Pour notre aile
courbée sur l’extrados,
ce phénomène est utilisé : l’air a
tendance à adhérer à l’aile et à
suivre
sa forme, se laissant ainsi dévier vers le bas, comme sur ce
schéma :
L’aile,
une pompe générant de la portance.
2)
La portance et
l'angle d'attaque :
Sans rentrer dans les
détails,
on peut comprendre, à partir de la seconde loi de Newton, que la
portance
augmente si l’aile dévie plus d’air ou si la vitesse
verticale de celui-ci
augmente. Mais ce n’est pas tout, l’angle
d’attaque de aile par
rapport au fluide qu’elle traverse est aussi un
paramètre fondamental. Avec
le logiciel Mécaflux, on peut constater pour s’en
convaincre
l’influence de ce paramètre sur portance et
traînée (les valeurs ont été
choisies au hasard). En effet, il permet de
comprendre des phénomènes de portance
apparemment en contradiction avec le principe de Bernouilli. Par
exemple,
lorsqu’un planeur pratique un vol inversé, comme
l’illustre la photo
ci-dessous, c’est l’ajustement par le pilote de angle
d’attaque qui lui permet
de générer une portance. Alors, qu’est-ce que cet
angle d’incidence ?
Un
planeur volant sur le dos.
L’angle
d’incidence est l’angle
avec lequel les filets d’air arrivent sur le bord d’attaque
de l’aile (angle formé
entre l’aile et le vent relatif).
Plus cet angle est
grand, plus l’aile produit de la sustentation et
inversement (La résultante
aérodynamique est d'autant plus
grande, que l’incidence est
importante, ce qui signifie que la traînée augmente aussi,
nous l’avons vu avec
le logiciel Mécaflux). La portance
est
donc bien proportionnelle cet angle d’attaque. En effet, si le
pilote remonte le nez de
l’appareil, le profil de
l’aile, on l’a
vu, a été conçu pour accentuer l’effet
ascensionnel ; les flux de l’air
étant déviés avec plus de force vers le bas, ce
qui correspond à une
accentuation de la surpression en dessous et de la dépression au
dessus de
l’aile. Le pilote peut donc monter, c’est-à-dire
renforcer la force de
portance, ou bien la diminuer à sa guise en contrôlant cet
angle. Il est
possible de schématiser ce mécanisme :
Conséquences
directes de la variation de l’angle d’incidence.
Mais attention,
lorsque
l’incidence atteint une certaine valeur, comprise
généralement entre 15 et 18°,
la portance commence à décroître, les filets
d’air ne peuvent plus suivre
l’extrados puisque les forces nécessaires pour permettre
de dévier l’air ainsi
sont trop importantes pour ce que la viscosité de l’air
peut supporter :
l’air se sépare de l’aile en formant une zone
tourbillonnaire et c’est le décrochage (les
flux
d’air semblent prendre la
tangente à la courbe formé par
l’extrados). La portance chute brutalement et le planeur
tombe . . .
Par ailleurs, on
peut
matérialiser mathématiquement l’évolution
des effets de l’incidence en traçant
la courbe ci-dessous. L’axe des ordonnées est très
représentatif de la capacité
qu’un planeur a pour générer une portance plus ou
moins grande suivant l’angle
d’attaque. L’allure de cette fonction est valable pour
toutes les ailes,
quelque soit ses caractéristiques.
Coefficient
portance en fonction de l’angle d’attaque effectif.
3)
Puissance induite
et parasite :
Un avion se
déplaçant en l’air
peut donc à la fois rester en l’air et se déplacer.
Mais tout ceci n’est pas
gratuit. En effet, après le passage d’un tel appareil,
l’air est mis en
mouvement : il a donc bien gagné de l’énergie
par l’intermédiaire du
travail d’une force. Ainsi, on aboutit au fait que la portance a
besoin d’énergie
pour être créée, ou de puissance qui est de
l’énergie par unité de temps. De
même, la traînée est une force de résistance
demandant de la puissance. Ces
deux paramètres sont respectivement appelés puissance
induite et puissance
parasite. Dans ce
dossier ce n’est pas le sujet de
détailler les formules
mathématiques relatives à la puissance nécessaire
mais il faut savoir que
n’importe quel vol demande diverses puissances, lesquelles
évoluent
différemment en fonction de la vitesse comme suit :
Ainsi, en ce qui
concerne notre
planeur, plus lent, ces courbes nous indiquent que c’est la
génération de la
portance qui domine en terme de grande consommatrice
d’énergie, la traînée
augmentant avec la vitesse.
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